中國科大宋禮教授團(tuán)隊(duì)提出了原位晶疇工程的精準(zhǔn)合成新方法，克服了傳統(tǒng)外延生長(zhǎng)中對(duì)二維材料本征缺陷構(gòu)型和分布難以同時(shí)控制的局限性，成功實(shí)現(xiàn)了單層二硫化鎢橫向同質(zhì)結(jié)（WS2Lateral Homojunctions）的可控化學(xué)氣相直接外延生長(zhǎng)。相關(guān)研究成果以“Growth of Monolayer WS2 Lateral Homojunctions via In Situ Domain Engineering”為題于6月13日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會(huì)志》上。

二維過渡金屬硫化物因其在原子尺度下具備優(yōu)異的電學(xué)特性，是突破傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體性能的理想材料之一，然而為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的器件應(yīng)用，原子層厚度低維單元需要具有不同的場(chǎng)效應(yīng)調(diào)制行為。利用縱向范德華力或橫向原子成鍵能夠無損集成具有不同特性的二維材料，形成特異的同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)。其中，二維橫向同質(zhì)結(jié)不但具備可調(diào)諧的電學(xué)特性，還具有獨(dú)特的原子級(jí)潔凈的界面，基于二維同質(zhì)結(jié)的各類感存算器件已展現(xiàn)出巨大的性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，由于可供選擇的原子種類受到嚴(yán)格限制，直接外延生長(zhǎng)二維過渡金屬硫化物的同質(zhì)結(jié)仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

圖1.原子層厚度二維同質(zhì)結(jié)的精準(zhǔn)合成示意圖及邏輯反相器

研究團(tuán)隊(duì)首先通過理論計(jì)算和模擬，確定了最優(yōu)本征缺陷構(gòu)型，進(jìn)一步利用兩步化學(xué)氣相沉積法，在晶疇水平上原位調(diào)控缺陷結(jié)構(gòu)，最終獲得具有特定缺陷結(jié)構(gòu)和分布的二維同質(zhì)結(jié)。分析測(cè)試結(jié)果表明，此類二維同質(zhì)結(jié)不僅具備不同的電學(xué)場(chǎng)效應(yīng)特性，更重要的是其界面處同時(shí)實(shí)現(xiàn)了理想的原子晶格匹配和定制的能帶結(jié)構(gòu)匹配?；诙SWS2同質(zhì)結(jié)構(gòu)建的邏輯反相器展現(xiàn)出良好的軌到軌操作特性，其峰值電壓增益達(dá)到12，動(dòng)態(tài)延遲時(shí)間約為135微秒，峰值功耗低至1.3納瓦。

論文的通訊作者是中國科大宋禮教授、武曉君教授和新加坡南洋理工大學(xué)劉政教授，崔其龍博士和壽宏偉博士為共同第一作者。上述研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、中國科大基礎(chǔ)前沿團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。